Un frittage à 1500°C permet d’avoir un spinelle combinant une faible taille de grains et une absence de porosité ouverte. L’application d’un post-HIP à 1500°C s’est montrée inefficace pour éliminer les pores, tandis qu’un post-traitement à haute température (1800°C) conduit à une croissance granulaire importante et une hétérogénéité de la microstructure. En considérant l’application visée, une faible taille de grains est requise. C’est pourquoi des essais de post-traitements HIP à une température intermédiaire de 1600°C ont été réalisés avec un temps de palier de 10h pour limiter l’augmentation de la taille des grains. Des échantillons de spinelle frittés à 1500°C ont été sélectionnés pour leur microstructure fine (1,5 ± 0,5 µm pour un
palier court), voire relativement fine (9,7 ± 3,9 µm pour un palier long), et l’absence de porosité ouverte.
4.1. Propriétés optiques
La Figure III-19 présente la qualité optique de deux échantillons après un post-HIP à 1600°C/10h sur table lumineuse et sur fond noir.
Figure III-19 : Qualité optique des spinelles après un post-HIP à 1600°C/10h sur table lumineuse et sur fond noir : (A-C) frittage 1500°C/2h, (B-D) frittage 1500°C/24h.
L’observation de ces échantillons sur table lumineuse montre deux spinelles transparents sans défaut pour ces conditions de frittage et de post-HIP. Cependant, placés sur un fond noir, le spinelle fritté à 1500°C/2h présente un voile blanc homogène. L’application d’un frittage long à cette température, suivi d’un post-traitement à 1600°C/10h permet l’obtention d’un spinelle transparent et incolore.
Une caractérisation optique par une mesure de la transmission en ligne a été réalisée sur ces deux spinelles. Les courbes sont présentées à la Figure III-20.
Figure III-20 : Transmissions en ligne des spinelles S17 après un frittage à 1500°C (2 et 24h) et un post-HIP à 1600°C/10h (normalisation à 2 mm d’épaisseur).
Après post-HIP, l’échantillon fritté avec un palier court présente une transmission faible dans le visible (27-64%), mais élevée dans l’infrarouge (86% à 3000 nm). Ceci peut être lié à la présence de porosité de taille proche des valeurs de longueurs d’onde du visible (400-800 nm), n’influençant pas la qualité optique dans l’IR. Le spinelle transparent obtenu après HIP à 1600°C/10h présente une haute transmission sur toute la gamme de longueurs d’onde étudiée (300-3000 nm) avec une valeur minimale de 72%.
Une analyse de la microstructure par MEB a été réalisée pour comprendre les propriétés optiques de ces deux spinelles.
4.2. Microstructure
Une analyse de la microstructure de ces deux échantillons précédents a été réalisée par MEB. Le Tableau III-12 présente les images des microstructures de ces spinelles avant et après le post-traitement. Les moyennes exprimées correspondent aux diamètres moyens en surface.
Frittage naturel à 1500°C / 2h Frittage naturel à 1500°C / 24h
A van t H IP A p rè s H IP à 1 600 ° C / 10 h
Tableau III-12 : Microstructures de spinelles après frittage à 1500°C (2 et 24h), suivi d’un post-HIP à 1600°C/10h. Les flèches orange précisent la présence de porosité.
Une comparaison des microstructures de ces deux spinelles après post-HIP montre une taille de grains très similaire : 11 ± 4,6 et 11,9 ± 5 µm pour les spinelles frittés à 1500°C/2h et 1500°C/24h, respectivement. La présence de nombreux pores intragranulaires de 200-500 nm, visibles pour l’échantillon fritté à 1500°C/2h et post-traité, impacte la qualité optique et la transmission dans le visible, comme cela a été vu précédemment.
Une augmentation du temps de palier lors du frittage permet de limiter la porosité : seuls quelques pores sont visibles dans les grains après HIP. Leur très faible nombre influence peu la transmission dans la gamme 400-800 nm.
L’augmentation de la température du post-HIP de 1500 à 1600°C a permis une élimination partielle des pores dans le cas d’un frittage court à 1500°C. Pour un frittage long, la transparence a été obtenue. La densité élevée de l’échantillon fritté à 1500°C/24h a été plus avantageuse par rapport à l’échantillon fritté 2h, qui présente un taux élevé de porosité (3%).
L’application de ces conditions de post-traitement sur un spinelle fritté à basse température avec un palier long a permis l’obtention d’une céramique transparente avec une haute qualité optique. Ce post-traitement a induit une croissance normale et modérée de la taille des grains par rapport à la microstructure après frittage sous vide, permettant la réalisation d’un échantillon avec une taille de grains homogène d’environ 12 µm.
5. Bilan
Les étapes de frittage et de post-traitement ont été étudiées sur la poudre de spinelle S17, non référencée dans la littérature. L’application d’un frittage naturel sous vide a permis de conserver des échantillons purs et de les densifier. Un post-traitement par pressage isostatique à chaud s’est montré indispensable pour obtenir la transparence.
L’étude des paramètres de frittage a montré l’influence de la température et du temps de palier sur les propriétés optiques et microstructurales des échantillons. La qualité optique est influencée par la porosité, le principal défaut nuisible à la transparence dans cette étude. Selon le nombre et la taille des pores, la transmission est alors impactée dans différents domaines de longueurs d’onde. Un frittage naturel seul ne permet pas une densification complète de l’échantillon et l’obtention de la transparence. Des températures élevées ne suffisent pas à l’élimination des pores et causent une croissance granulaire excessive. Dans l’objectif d’avoir un spinelle transparent avec une microstructure fine et homogène, il est nécessaire d’appliquer un post-traitement sur des échantillons frittés dans des conditions adaptées.
Le pressage isostatique à chaud est conventionnellement utilisé pour avoir la transparence par une élimination des pores résiduels. Cette étape a été appliquée sur des spinelles ne présentant pas de porosité ouverte. Plusieurs échantillons avec une haute qualité optique ont été obtenus en appliquant différentes combinaisons de conditions de frittage naturel et de post-HIP. L’effet du post-traitement est fortement dépendant de la microstructure de l’échantillon après frittage. La porosité ouverte doit évidemment être évitée. Une porosité intragranulaire est néfaste et plutôt difficile à éliminer, tandis que des pores intergranulaires sont assez facilement éliminables par un HIP. Une analyse des microstructures avant et après post-traitement a montré l’effet de cette étape sur la croissance granulaire et la porosité. Un échantillon poreux ou avec une microstructure hétérogène présentera une croissance granulaire exagérée après HIP. L’utilisation de spinelles denses à microstructure fine après frittage permet de limiter l’augmentation de la taille des grains pendant le post-HIP. La
séparation des pores et des joints de grains est probablement liée aux hautes températures appliquées lors du frittage naturel sous vide et/ou au nombre et au diamètre des pores.
En se basant sur ces différentes observations, une optimisation du procédé (frittage et post-traitement) a été proposée et a permis de limiter la croissance granulaire lors du HIP et d’avoir un spinelle transparent d’une haute qualité optique, associée à une microstructure homogène et relativement fine (~ 12 µm).
L’état de l’art réalisé sur la poudre S30CR de Baikowski, présenté dans le chapitre I (Tableau I-3), a montré des conditions de frittage et de post-HIP moins sévères que celles appliquées dans cette étude, liées à la surface spécifique plus élevée de la poudre (30 m²/g). Cependant, l’utilisation de la poudre S17 et de conditions adaptées ont permis d’obtenir des propriétés optiques, microstructurales et mécaniques très similaires à ce qui est rapporté dans la littérature.
La prochaine étape concerne la caractérisation mécanique de différents échantillons de spinelle et la mise en relation des propriétés mécaniques et microstructurales. La réalisation d’essais balistiques sur ces céramiques élaborées par frittage naturel et post-HIP vient compléter l’analyse.
Chapitre IV – Caractérisations mécaniques et essais balistiques
Chapitre IV
Caractérisations mécaniques et
essais balistiques
L’utilisation de céramique transparente comme face avant des protections balistiques requiert un matériau avec de hautes propriétés mécaniques afin d’éroder et de fragmenter le projectile. L’aspect mécanique est abordé dans ce chapitre, via une caractérisation de trois nuances d’échantillons transparents présentant une haute qualité optique dans le domaine du visible et une microstructure distincte. Ces spinelles transparents ont également été comparés à un échantillon opaque, élaboré dans cette étude, et un échantillon commercial.
La réalisation de tirs balistiques sur les céramiques a nécessité une augmentation du diamètre des échantillons. La méthode de mise en forme du cru a été adaptée afin d’obtenir des spinelles de diamètre 60 mm après frittage et post-traitement. Une analyse des propriétés optiques et mécaniques, et de la microstructure a été réalisée sur des échantillons de diamètre différent afin de vérifier la conservation des propriétés pour des conditions d’élaboration identiques.
Enfin, après une caractérisation mécanique, des essais balistiques ont été réalisés sur chaque nuance de spinelle. Sur un multicouche en verre et polymère, chaque échantillon de spinelle a été placé en face avant. L’efficacité d’endommagement du projectile a été jugée par la mesure de sa vitesse résiduelle.